estudio de dispersión de hidrocarburos en medio marino.

XVI Congreso Internacional de Ingeniería de Proyectos
Valencia, 11-13 de julio de 2012
ESTUDIO DE DISPERSIÓN DE HIDROCARBUROS EN MEDIO
MARINO.
Marina Corral
Eliseo Pablo Vergara
Nicolás Rubio Barragán
Universidad de La Rioja
María Eugenia Lacarra Córdova
Universidad Politécnica de Madrid
Abstract
Oil spills of marine environment are scattered over the surface according to the winds
dynamics and ocean currents prevailing in the area. It is important to determine the extent
and scope of pollution to protect marine life and prevent the damage to coastal and marine
ecosystems.
Hydrodynamic-numeric models are well established in simulating ocean currents. They may
be used in a predictive capacity, in which current information is used to forecast the spill
trajectory. These types of tools were specifically made to develop contingency plans, and
reduce disasters that cause these discharges to the sea.
Keywords: oil; pollution dispersion; water quality models
Resumen
Los vertidos de hidrocarburos en el medio marino se dispersan sobre la superficie de
acuerdo con la dinámica de los vientos y las corrientes marinas prevalecientes en el área.
Es importante determinar la extensión y los alcances de la contaminación para la protección
de la vida marina y evitar en la medida de lo posible daños graves a los ecosistemas
costeros y marinos.
Los modelos hidrodinámicos nos permiten establecer la extensión y los alcances del
derrame, permitiendo hacer el seguimiento y el pronóstico de su evolución. Este tipo de
herramientas cobran vital importancia a la hora de desarrollar planes de contingencia,
permitiendo disminuir las catástrofes que producen estos vertidos en el mar.
Palabras clave: hidrocarburos; dispersión de contaminantes; modelación de la calidad del
agua
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1. Introducción
1.1 Efectos de la contaminación de hidrocarburos
Los derrames de hidrocarburos representan una fracción relativamente pequeña de la
contaminación marina, alrededor de un 10%. Sin embargo, los daños al medio ambiente
pueden ser muy importantes. El origen de este tipo de contaminación es variable y sólo el
10% del total de petróleo derramado en el mar es debido a accidentes de petroleros.
Los efectos de la contaminación por vertido de hidrocarburos en el medio marino son
diversos, y el impacto depende principalmente de varios factores: si el vertido alcanza la
costa, de si alcanza ecosistemas débiles, y si alcanza a poblaciones de animales sensibles.
Es probable que un vertido importante en el océano tenga un impacto menor que un
pequeño vertido cerca de la costa o de poblaciones de aves.
Estudios científicos existentes sobre los impactos de vertidos de hidrocarburos a causa de
accidentes, demuestran que dichos vertidos pueden causar considerables pérdidas
medioambientales en el área afectado por las altas concentraciones de hidrocarburos. La
recuperación natural total del área tras este tipo de vertidos puede tardar entre una y dos
décadas. Las pérdidas medioambientales causadas por un gran vertido no son irreversibles,
no obstante, el impacto de la acumulación de vertidos de hidrocarburos puede aumentar el
riesgo medioambiental, al ser las consecuencias desconocidas a largo plazo. Estudios
llevados a cabo en el mar báltico muestran que los vertidos por operaciones de buques
matan alrededor de 30.000 y 40.000 aves marinas, aunque en las poblaciones de aves más
comunes, estas pérdidas no suelen representar un peligro a largo plazo. Sin embargo, para
las poblaciones de aves menos comunes y que normalmente viven en un espacio
restringido, estos vertidos sí pueden conllevar graves problemas para su supervivencia a
largo plazo.
Además de a las aves, los vertidos por hidrocarburos pueden afectar a los ecosistemas
costeros y marinos de otras maneras:
•
Mortalidad e impactos a largo plazo en mamíferos y hábitats marinos
•
Daños físicos a los ecosistemas marinos
•
Daños a las reservas de acuicultura
•
Asfixia y daños a la vegetación y biota intermareal
No es fácil predecir las consecuencias exactas de los vertidos de hidrocarburos en el mar,
hay que tener en cuenta varios factores como su rápida expansión, el rápido alejamiento de
las fuentes del vertido, y los cambios en la composición del hidrocarburo desde que es
vertido al mar por procesos físicos, químicos y biológicos.
1.2 Comportamiento del vertido en el mar
El petróleo es una mezcla compleja de cientos de compuestos, la mayoría de ellos
hidrocarburos. Al producirse un vertido de hidrocarburo líquido al mar, este es expande por
la superficie formando una fina capa, inferior a 0.1mm de espesor. Esta capa oleosa, se
desplaza siguiendo la dirección del viento. La velocidad con la que la capa se extiende, y su
espesor, dependen de las características del hidrocarburo y de la temperatura del mar. Los
hidrocarburos ligeros se expanden mas rápido formando una capa mas fina que los
hidrocarburos pesados. Poniendo como ejemplo el petróleo, un derrame de un metro cúbico
puede llegar a formar, en hora y media, una mancha de 100m de diámetro y 0.1mm de
espesor.
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Una vez vertidos al medio marino, los hidrocarburos empiezan a transformarse. Sus
propiedades físico-químicas evolucionan a lo largo del tiempo: es el llamado proceso de
envejecimiento o degradación (Figura 1). El estudio de estos procesos resulta fundamental
para poder conocer mejor este tipo de contaminación (Comerma 2004). Al entrar en
contacto con el agua, los componentes de bajo peso molecular, más tóxicos de los
hidrocarburos se evaporan. Estos hidrocarburos evaporados son descompuestos por
fotooxidación en la atmósfera. Del resto del vertido que queda en el agua (de uno a dos
tercios), parte sufre fotooxidación, y otra parte dispersión vertical, disolviéndose en la
columna de agua inferior a la capa del vertido debido principalmente al efecto de las olas
rompientes, las gotitas oleosas dispersas tienden a volver a la superficie o a ser
redispersadas por las fuerzas de flotabilidad. Las gotas más grandes emergen enseguida,
mientras que las gotas más pequeñas pueden ser transportadas por las corrientes lejos del
lugar del vertido y permanecen dispersas durante semanas, provocando contaminación a
kilómetros de distancia del punto de vertido.
Lo que queda forma una emulsión gelatinosa de agua y aceite que se convierte en bolas de
alquitrán densas, semisólidas. Las condiciones de viento y la viscosidad del hidrocarburo
son los factores más importantes para la formación de emulsiones, que pueden llevar a que
el volumen de la emulsión cinco días después del derrame sea el doble del volumen
derramado. Los vertidos de hidrocarburos también son afectados por la biodegradación,
proceso extremadamente lento pero importante a largo plazo.
Cuando el hidrocarburo se adhiere a otros cuerpos, o forma partículas de densidad superior
a la del agua, puede hundirse hasta el fondo en un proceso llamado sedimentación.
Figura1: Procesos de degradación de los hidrocarburos.
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2 Objetivos
El objetivo principal es evitar cualquier tipo de vertido de hidrocarburos en el mar, pero en
caso de que ocurra un accidente, se debe llevar a cabo una adecuada gestión de manera
que las consecuencias del mismo sean lo menores posible. Por lo tanto, las consecuencias
negativas que conllevan los derrames de este tipo, motivan inmediatamente a una
preocupación que no sólo se refiere a la supervisión y el seguimiento, sino también la
capacidad de predecir con eficacia el comportamiento del petróleo derramado en las horas
posteriores al accidente.
El aumento de la capacidad de cálculo de los ordenadores y la existencia de complejas
técnicas de simulación matemática han hecho posible que existan modelos hidrodinámicos
y herramientas de software para realizar simulaciones gráficas, que permiten interpretar el
estado actual y futuro de una zona de estudio concreto. El modelado numérico de vertido de
hidrocarburos en el mar, permite entender y representar el comportamiento de los
hidrocarburos derramados en el medio marino mediante ejercicios de predicción, que
permiten actuar en casos de situaciones de crisis.
En este contexto, el modelado numérico conforma una poderosa herramienta mediante la
cual es posible analizar el comportamiento de una sustancia contaminante en el medio
receptor a través de la caracterización de los procesos físicos de transporte y difusión, así
como de los procesos de transformación que experimenta (Sámano 2011)
En el presente estudio se realiza un análisis de MOHID, una herramienta para poder
suministrar información descriptiva del estado actual del mar y que permite realizar un
ejercicio de previsión continua de las condiciones del mar, en caso de vertido accidental.
3 Caso de estudio
La selección de un modelo numérico apropiado resulta una tarea compleja, puesto que
estas herramientas, implican ciertas suposiciones o limitaciones y, pueden ser aplicadas
únicamente por personal experimentado que conozca las teorías subyacentes. Por tal
motivo, existen enormes carencias tanto en las expectativas, como en el entendimiento
entre los creadores y los usuarios de un modelo (Chau, 2006).
En el caso de la contaminación por hidrocarburos, existen pocos modelos capaces de
simular la complejidad de los procesos que tienen lugar una vez que se produce el vertido
en el mar. Por un lado, los procesos que intervienen son complicados y todavía poco
entendidos, dando un sistema de ecuaciones resultante complejo de resolver. Por otro lado,
la información disponible es todavía insuficiente, en cuanto a los datos iniciales
(caracterización de los productos del petróleo) y en cuanto los parámetros de ajuste de los
modelos (validación de las simulaciones) (Espino et al., 2008).
3.1 MOHID
En este estudio se analiza el sistema de modelado MOHID, desarrollado por MARETEC
(Marine and Environmental Technology Research Center) en el Instituto Superior Técnico
(IST) de la Universidad Técnica de Lisboa. MOHID permite la adopción de una filosofía de
modelación integrada, no solo de procesos físicos o biogeoquímicos, sino también de
múltiples escalas y sistemas, permitiendo el uso de modelos anidados. La versión inicial de
este sistema (Neves, 1985) fue un modelo bidimensional para la simulación de mareas, del
cual se mantuvo el nombre “MOdelo HIDrodinâmico”. El Sistema MOHID consiste en una
herramienta capaz de simular problemas costeros complejos y flujos estuarinos (Neves,
1985, Martins et al. 2001, Coelho et al. 2002, Saraiva et al. 2007, entre otros).
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MOHID está compuesto por diferentes herramientas: MOHID Water, MOHID Soil y MOHID
Land, que permiten estudiar el ciclo del agua en un ambiente integrado, simulando procesos
físicos y biogeoquímicos tanto en el agua como en los sedimentos.
El modelo hidrodinámico MOHID plantea y resuelve las ecuaciones incompresibles en un
sistema cartesiano asumiendo equilibrio hidrostático y la aproximación de Boussinesq. Las
ecuaciones de balance de la masa y del momento se obtienen a partir del método de
volúmenes finitos. En esta aproximación las ecuaciones se resuelven integrando en el
espacio real sobre cada celda, las cuales pueden tener cualquier forma debido a que sólo se
calculan los flujos entre celdas adyacentes.
La versatilidad del módulo hidrodinámico permite proponer esto como la única herramienta
para simular el flujo en todos los lugares donde pueden ser desarrollados escenarios de
accidentes de vertidos de hidrocarburos, independientemente de la complejidad de su
geometría.
3.2 Módulo lagrangiano
Para calcular la dispersión de los hidrocarburos en el mar se emplea el módulo lagrangiano,
que se basa en el concepto de trazador. La propiedad más importante de un trazador es su
posición (x, y, z). Esto permite adaptar el modelo para la simulación de compuestos físicos,
químicos, biológicos y geológicos. Los trazadores pueden adquirir las características de
partículas diferentes, tales como masas de agua, o de hidrocarburos.
Figura 2: Flujo de información entre el módulo Lagraniano y otros módulos de MOHID.
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El movimiento de los trazadores puede estar influenciado por el campo de velocidad desde
el módulo hidrodinámico, por el viento desde el módulo de superficie y por la velocidad de
propagación desde el módulo de dispersión de hidrocarburos (Figura 2).
Actualmente el modelo es capaz de simular la dispersión de hidrocarburos, la evolución de
la calidad del agua y el transporte de sedimentos. Para simular la dispersión de
hidrocarburos el módulo lagrangiano interactúa con el módulo “oil dispersión”.
3.2 Módulo de dispersión de hidrocarburos.
La predicción y simulación de la trayectoria y degradación de los vertidos de hidrocarburos
son esenciales para el desarrollo de la lucha contra la contaminación y el desarrollo de los
planes de contingencia, así como para la evaluación de estudios de impacto ambiental.
Con el fin de predecir el comportamiento de los productos derivados de los hidrocarburos
que son vertidos en las zonas costeras, se desarrolló el módulo “oil dispersión”, que predice
la evolución, la degradación y las características del vertido.
La viscosidad y la densidad del petróleo además de muchos de los procesos de
envejecimiento tales como: la difusión, la evaporación, la dispersión, la sedimentación, la
dilución y la emulsión están incluidas en este módulo. También están integrados en este
módulo algunos métodos de lucha contra la contaminación.
Diferentes métodos alternativos han sido codificados para la predicción de algunos procesos
de degradación o envejecimiento ya comentados anteriormente (difusión, evaporación,
sedimentación etc.) Por lo tanto, cuando se utiliza el modelo, hay más de una forma de
simular el mismo proceso.
Figura 3: Flujo de información entre el módulo OIL y otros módulos de MOHID.
El módulo “oil dispersion”, utiliza principalmente el módulo hidrodinámico en 3D y el módulo
de transporte de Lagrange en 3D. El módulo hidrodinámico simula el campo de la velocidad
necesaria para el módulo lagrangiano que permite calcular las trayectorias de petróleo
(Figura 2). Estas trayectorias de petróleo se calculan suponiendo que los hidrocarburos
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pueden ser idealizados como un gran número de partículas que se mueven
independientemente en agua. Las propiedades del agua y las condiciones atmosféricas se
introducen en el módulo lagrangiano y estas son utilizadas por el módulo “oil dispersión”
para la determinación de los procesos de degradación y dispersión de los hidrocarburos. A
excepción de la difusión, tanto lo procesos de degradación como las características de los
hidrocarburos se suponen uniformes para todos los marcadores, al igual que las
propiedades del agua y las condiciones atmosféricas, que se consideran las mismas que las
condiciones ambientales determinadas en el origen del accidente.
4 Conclusiones
Un derrame de petróleo, no importa lo pequeño que sea, siempre tiene consecuencias
negativas. Estas consecuencias son principalmente importantes tanto a nivel ambiental
como económico. La extensión de los efectos de tales accidentes depende de una serie de
factores agravantes, como la cantidad y las características del hidrocarburo, la metereología
durante el accidente (viento, la agitación del mar, etc.), la época del año etc. Además de la
contaminación ambiental que se produce en el área afectada por el vertido, otro factor a
tener en cuenta son las pérdidas económicas que se generan, debido principalmente a las
restricciones que se producen en la zona afectada tales como, la pesca, la explotación de
los puertos y otras actividades puede traer graves consecuencias en la economía local.
Debido a su propia naturaleza, no existen muchos estudios científicos, ni investigaciones
sobre las consecuencias de los vertidos de hidrocarburos, y sus efectos medioambientales
en el medio marino. Sin embargo, una vez se han producido y localizado es necesario
realizar una gestión adecuada. La prevención y la previsión deben plantearse como
herramienta fundamental de apoyo a la toma de decisiones en accidentes de este tipo.
Hay varias razones que hacen que la simulación de los derrames de hidrocarburos muy
complicada. Ya que los productos derivados del petróleo tienen cientos de composiciones
diferentes, dando como resultado diferentes comportamientos en el agua difíciles de
pronosticar. Además, tanto la trayectoria del petróleo como su envejecimiento viene
determinado por diversas condiciones: datos meteorológicos, oceanográficos, y un conjunto
de procesos físico-químicos estrechamente relacionados, que afectan a las propiedades del
vertido a medida que se extiende por la superficie del mar (Figura 1). A menudo, la
información relacionada con estas condiciones es difícil de conseguir, y la falta de datos de
campo y de datos experimentales complica aún más la tarea a desarrollar.
Con el sistema de modelado hidrodinámico de MOHID es posible incluir las condiciones
hidrodinámicas de la zona de estudio así como las características específicas del
hidrocarburo. Otras ventajas que presenta el modelo es que es un software libre, y tiene una
alta fiabilidad.
Por todo esto podemos concluir el módulo “oil dispersión” de MOHID es, una herramienta
importante para las autoridades responsables de la lucha contra la contaminación marina ya
que permite el análisis de los efectos de un posible accidente de vertido de hidrocarburos en
un área determinada, así como en zonas de alto riesgo.
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Siguero A. (2010) modelado numérico del comportamiento de los vertidos de hidrocarburos
vertidos al mar. Projecte o tesina d’especialitat. UPC.
Correspondencia (Para más información contacte con):
Marina Corral Bobadilla
Área de Proyectos de Ingeniería. Departamento de Ingeniería Mecánica.
Universidad de La Rioja
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